磷石膏是湿法生产磷酸时产生的一种固体废渣,主要成分是二水硫酸钙(CaSO4•2H2O),另外也含有少量未完全分解的磷矿、氟化合物、磷酸、有机质、酸不溶物、铁铝化合物、重金属等杂质,其外观为黄白色、灰黄色、浅灰白色或黑灰色细粉状固体。
图1 2015—2019年中国磷石膏的产量和利用量
1. 磷石膏的资源化利用现状
国内外对磷石膏资源化综合利用已经进行了较广泛的研究。在日本、韩国和德国等天然石膏缺乏的国家对磷石膏的开发利用率相对较高。日本的磷石膏利用率接近100%,大部分用于生产建材,如石膏板、建筑石膏和石膏砌块等。而美国等拥有丰厚天然石膏资源的国家,对磷石膏等工业副产石膏的利用率较低,大部分采用堆积存储的方式。
中国磷石膏的主要产地集中在中西部地区,2019年云南、贵州、四川、湖北等产磷省的磷肥产量占当年总产量的84%。由于磷矿中放射性元素含量低,因此磷石膏中放射性较低,满足环境安全要求,为磷石膏资源化利用创造了有利条件。现阶段,磷石膏在中国的资源化利用行业领域及用途如表1所示。
表1 中国磷石膏资源化利用的主要行业和用途
2. 磷石膏的建材资源化利用
(1) 磷石膏的预处理
在众多利用途径中,磷石膏的建材资源化利用既可以消纳大量磷石膏,又具有较高的附加值。对于杂质含量较少的磷石膏,可以不经处理,直接与石灰、矿渣、矿粉或粉煤灰制备磷石膏基复合胶凝材料。
为了得到性能稳定的建筑石膏,一般需要对磷石膏进行预处理,除去其中的有机物、可溶磷、可溶氟等杂质。目前中国对磷石膏的预处理一般采用水洗法、酸碱中和法、筛分法、陈化法、煅烧法等方法中的一种或多种组合,其中最常用的是酸碱中和法和水洗法。磷石膏经过预处理后,可避免其中的杂质对磷石膏制品的不利影响,提高磷石膏制品的力学性能,有利于在实际工程中的推广应用。
(2)磷石膏基墙体材料
常见的磷石膏墙体材料主要有石膏板、石膏砖和砌块等。石膏板是一种以石膏为主要原料制成的建筑板材,具有生产能耗低、轻质高强、防火隔热、可加工性好等优点,广泛应用于建筑内部隔墙、吊顶等。一直以来,中国的石膏板生产主要以天然石膏和脱硫石膏为原料,近年来随着政策和市场的推动,已有许多科研院所和部分企业研发以磷石膏等工业废弃物为原料的石膏板。
石膏砖和石膏砌块具有质量轻、防火、隔声、低碳环保、施工便捷等优点,是国家大力推广发展的一种新型墙体材料。磷石膏中含有铅、钡等重金属离子,因此在使用中需考察其重金属浸出性。此外,石膏是一种气硬性材料,耐水性较差,因此在实际应用中需要提高其耐水性。
(3) 磷石膏基粉体材料
磷石膏基粉体材料是指以磷石膏为主要胶凝材料,添加集料、外加剂等制得的具有不同用途的砂浆类材料,主要有抹灰石膏、自流平石膏、石膏腻子等。
抹灰石膏主要用于建筑内墙、顶棚的抹灰,具有质量轻、不空鼓、不开裂、施工快等特点,既可采用人工抹灰,又可采用机械喷涂抹灰,施工效率高。目前,磷石膏基抹灰石膏已在中国有所应用,其制备工艺、影响因素和机制得到了深入研究。
自流平石膏具有流动性好、施工快、无收缩等优点,可以替代传统室内找平工艺。用磷石膏配制自流平石膏可变废为宝,具有较高的附加值,经济效益和市场前景良好。
建筑腻子是建筑工程的必备材料,以经过预处理的磷石膏为基材,配制磷石膏基建筑腻子是磷石膏资源化的高附加值途径之一。
(4) 磷石膏模盒
石膏模盒是以石膏、纤维增强材料为主要原料在工厂预制而成,作为空腹楼板填充材料的一种新型石膏制品。将石膏模盒埋于现浇混凝土楼板内,构造出高性能的复合楼板,既节省了大量钢筋混凝土,又具有保温、节能、隔音、轻质等功能,已经成为中国重点推广的建筑技术。谢钦等采用有限元方法分析了磷石膏模盒无梁楼盖的截面应力,建立了周边简支条件下各自的内力和位移计算公式,为磷石膏模盒无梁楼盖的应用夯实了理论基础。李少杰等对磷石膏模盒楼盖进行了辐射传热分析,认为磷石膏空腔结构提高了楼盖的保温性能,并针对其热桥和自然对流换热问题提出了改良方法。
3. 存在的问题
目前,磷石膏在建材资源化利用方面主要存在以下问题:
01
分布不均匀、供需不协调。中国磷石膏主要产区集中在贵州、云南、湖北、四川等中西部地区,这些地区每年的磷石膏产生量占全国的八成以上,本地市场难以消纳。
02
产品质量差、市场认可度低。磷石膏自身存在杂质种类复杂、含量高等缺点,同时中国对磷石膏的利用尚处于发展期,磷石膏制品相对天然石膏、脱硫石膏等质量不高,市场的认可度较低。
03
规范不健全、政策激励不充分。目前很多磷石膏建材制品尚没有国家产品标准,很多企业采用企业标准生产,限制了其应用推广。政府虽然出台了很多鼓励政策,但其激励作用发挥不充分。
结论与展望
近年来,磷石膏在建筑材料中的应用,取得了丰富成果并得到了推广应用。但是磷石膏的大掺量应用还存在一些共性问题需要解决,如磷石膏预处理清洁技术、磷建筑石膏质量稳定性等,同时也需要国家出台磷石膏资源化利用的政策引导和激励优惠。随着技术的进步和国家政策的推动,未来磷石膏建材制品的种类和产品质量将进一步完善,市场认可度将进一步提高,实现磷石膏在建材领域的大量、高附加值利用,使磷石膏变废为宝,解决其产生的环境问题。